基质粒径对槽培黄瓜根系、产量及光合特性的影响

宋朝义 季延海 刘明池 武占会 黄远 王丽萍

摘    要：以黃瓜为试材，珍珠岩为基质，在连栋温室内研究了不同基质粒径配比对黄瓜生长、产量、光合气体交换参数、荧光动力学参数及PSⅡ光能分配情况的影响。结果表明，纯小粒径（小于2 mm）珍珠岩T9处理的物理性质最理想，T9处理黄瓜生长势和根系适应性最好，产量最高。T9处理黄瓜叶片Pn、Gs和Tr均最大，T9处理黄瓜叶片的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均比T1处理显著提高，而Fo和NPQ比T1处理显著降低，这显著提高了PSⅡ反应中心开放程度和PSⅡ电子传递效率。T9处理叶片吸收的光能向P（光化学反应）的分配占比最大，而T1处理叶片吸收的光能向P的分配占比降低，向E（反应中心耗散能）的分配占比增加。综上所述，在封闭式槽培栽培条件下，以纯小粒径珍珠岩作为栽培基质，黄瓜生长势和根系适应性最好，黄瓜叶片的碳同化效率和光合能力最强，产量最高。

关键词：黄瓜;珍珠岩;粒径;基质栽培;产量;光合特性

中图分类号：S642.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2021）08-056-06

Effects of substrate particle size on the root， yield and photosynthetic characteristics of slot-cultured cucumber

SONG Chaoyi1，2， JI Yanhai2，4， LIU Mingchi2，4， WU Zhanhui2，4， HUANG Yuan3， WANG Liping1

（1. College of Landscape and Ecological Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， Hebei， China; 2. Vegetable Research Center of Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 3. College of Horticulture and Forestry Sciences， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， Hubei， China; 4. Key Laboratory of Urban Agriculture of North China， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing 100097， China）

Abstract：Cucumber was used as test material and perlite was used as substrate in this research， the effects of different diameter ratios of substrate particle on the cucumber growth and yield，photosynthetic gas exchange parameters，fluorescence kinetics and t PSⅡ light energy distribution were investigated in the greenhouse. The physical properties of pure small-size perlite T9 were found the best，the growth potential and root adaptability of cucumber T9 were the best，and the yield was the highest. Under the T9 particle substrate treatment， the Pn，Gs and Tr of cucumber leaves were all maximized， Fv/Fm，ΦPSⅡ and qP were increased significantly，Fo and NPQ were dropped significantly， the PSⅡ reaction center open degree and PSⅡ electron transfer efficiency were extremely promoted. The leaf absorption of light energy to P allocation proportion of T9 was the largest，while the leaf absorption of light energy to the distribution of P was decreased under T1 treatment，which added to the distribution of E. It was concluded that under the pure small-size perlite culture condition，the growth potential and root adaptability of cucumber were the best，the carbon assimilation efficiency and photosynthetic capacity of cucumber leaves were the strongest，and the yield was the highest.

Key words： Cucumber; Perlite; Particle size; Matrix culture; Yield; Photosynthetic characteristics

基质栽培是指利用固体基质支持、固定植物根系，并通过基质吸收水分、养分和氧气的一种无土栽培方式[1]。随着我国设施蔬菜产业的迅速发展，栽培基质的市场需求日益增加。目前大规模使用的基质类型有岩棉、草炭、椰糠以及有机废弃材料混合基质等。国内学者在基质筛选和配比方面做了大量研究。李堃等[2]研究指出，枸杞枝条、珍珠岩、蛭石按体积比6∶1∶2复配，可作为无土栽培基质进行研发和利用。目前国内基质研究主要集中在有机基质方面，无机基质研究较少。

与传统土壤栽培相比，基质栽培作物生长快，产量高，可克服土壤连作障碍、减少土传病害，但由于基质水肥含量有限，需要定期灌溉营养液来满足植物生长需要[3-4]。有机基质含有较多生物残留物，化学性质不稳定，易与营养液中的离子发生反应，造成盐分积累，因此会影响营养液的EC值、pH值和离子比例等，而营养液的EC值、pH值和离子比例与作物的生长密切相关，过高或者过低都会对作物产生不利影响[5-7]。珍珠岩作为一种不易分解、化学性质稳定、疏松多孔的无机基质，能够为植物根系提供适宜的生长环境。固体基质的物理性质直接影响着基质的性能，基质性能优劣决定了作物的长势和产量[1]。基质的物理性质与其颗粒大小、粒径和松紧程度密切相关[8]。园艺上常用珍珠岩的粒径为3～4 mm[1]，然而不同植物的根系对珍珠岩粒径大小适应性不同。李炎艳[3]等研究表明，珍珠岩粒径大于4 mm、2 ～4 mm、小于2 mm配比为3∶4∶3的配比更适于番茄根系的生长。

基质栽培方式分为开放式和封闭式。目前，国内主要基质栽培方式为开放式栽培，开放式栽培排放出的营养液废液会严重污染周边土壤环境，并且会造成水肥浪费。封闭式栽培实现了营养液的循环利用，避免了向外排放问题，更加节水节肥环保[9]。因此，在封閉式栽培模式下筛选出黄瓜最适宜的无机基质，对生产上无土栽培、无机基质封闭栽培系统的推广与精准、高效应用具有重要意义。

笔者采用北京市农林科学院蔬菜研究中心研发的封闭式无机基质槽培系统，用珍珠岩作为栽培基质，以黄瓜为试材，研究珍珠岩粒径配比对黄瓜根系、产量及光合特性的影响，以期筛选出适宜的珍珠岩粒径配比，为该系统黄瓜栽培的标准化生产、应用提供理论支撑和技术支持。

1 材料和方法

1.1 材料

供试黄瓜品种为京研118，由京研益农（北京）种业科技有限公司提供，该品种耐低温弱光，亦较耐热，适宜温室栽培。营养液采用北京农林科学院蔬菜研究中心的黄瓜专用配方。

1.2 试验设计

本试验于2019年8—12月在北京市农林科学院蔬菜研究中心连栋温室进行。2019年8月30日采用72孔穴盘育苗，基质为V草炭∶V蛭石=2∶1，常规苗期管理。采用蔬菜研究中心研发的封闭式槽培栽培方式和营养液循环供给系统，9月20日黄瓜幼苗定植于栽培槽（长×宽×高=48 cm×20 cm×13 cm）中，每个栽培槽定植2株，基质采用珍珠岩。珍珠岩粒径采用大于4 mm、大于2 mm且小于4 mm、小于2 mm三个标准，分别采用大、中、小简称。珍珠岩按体积比设置9个处理，以未过筛的珍珠岩作为对照（CK），详细配比见表1。采用完全随机设计，每个处理定植30盆，株距40 cm，小行距20 cm，大行距150 cm，试验田面积约为200 m2。试验期间7：00—19：00循环提供营养液5次，其他时间不供液。幼苗期每天每株供液1.5 L;结果期每天每株供液2.0 L，正常田间管理。各处理设3次重复，每个重复20株，共定植600株。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 基质物理性质的测定 采用环刀法测定基质的容重、持水能力、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙、大小孔隙比，参照鲍士旦[10]的研究方法。

1.3.2 基质含水量的测定 分别于定植后25、35、45、55、65 d最后1次灌溉结束后2 h取基质测定质量，烘干后测定干质量，计算含水量。每个处理随机从栽培槽取基质，3次重复。

1.3.3 黄瓜生长指标和产量的测定 于定植后52 d，用卷尺测量株高，游标卡尺测量茎粗，直尺测量最大叶长（L）、叶宽（W），并通过回归方程[11]计算最大叶面积，最大叶面积=14.61-5.0（L）+0.94（L2）+0.47（W）+0.63（W2）-0.62（L×W）。拉秧前统计总产量。

1.3.4 黄瓜根系形态学指标和根系活力的测定 于定植后20 d，分别随机选取各处理3株，将待测根系清洗干净，用Epson Perfection 4990 PHOTO根系扫描系统扫描，Win RHIZO软件分析系统对根系总长度、表面积、根系体积和根尖数等形态参数进行分析测定。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法[12]测定黄瓜根系活力。

1.3.5 黄瓜叶片光合参数和荧光参数的测定 于盛瓜期晴天9：00—11：00，选择第3片功能叶，采用LI-6400XT（美国，LI-COR）测定光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）及蒸腾速率（Tr）。采用FluorCam叶绿素荧光成像系统测定荧光参数，叶片暗处理30 min后测定初始荧光（Fo）、暗适应下最大光化学效率（Fv/Fm）、光适应下实际光化学效率（ΦPSⅡ）、光化学猝灭系数（qP）和非光化学猝灭系数（NPQ）等。3次重复，取平均值。参照蔡建国[13]等的方法，计算黄瓜叶片的PSⅡ光能分配情况，公式如下：光化学反应能（P）=qP×Fv'/Fm'，天线耗散能（D）=1-Fv'/Fm'，反应中心耗散能（E）=（1-qP）×Fv'/Fm'。

1.4 数据分析

试验数据采用IBM SPSS statistics 20.0统计软件进行显著性分析;采用Microsoft Excel 2007软件对试验数据进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同粒径配比珍珠岩粒的物理性质

由表2可以看出，随着珍珠岩小粒径的增加，T1、T8、T9处理的基质容重和持水孔隙均呈增大趋势，而基质持水能力、通气孔隙、大小孔隙比呈减小趋势。其中，T9处理基质容重、总孔隙度、持水孔隙等均显著高于其他处理，分别比CK提高81.82%、20.50%、44.24%，且T9处理基质持水能力最小，通气孔隙和大小孔隙比均较小;而T1处理基质容重、持水孔隙均最小，持水能力、通气孔隙、大小孔隙比均最大，总孔隙度较大。

2.2 不同粒径配比珍珠岩粒含水量

从图1可以看出，各处理随着定植时间的增加，各基质含水量变化较小。定植后第25、35、45、55 d时，T1处理基质含水量均最大，T9处理基质含水量均最小。定植55 d时，T1处理基质含水量比T9处理明显提高81.09%。

2.3 不同珍珠岩粒径配比对黄瓜生长和产量的影响

由表3可以看出，T9处理黄瓜各项生长指标均显著高于其他处理。T1、T8、T9处理黄瓜株高、茎粗、叶片数、最大叶面积、单株产量等生长指标均表现出T9>T8>T1，由此可以看出，随珍珠岩粒径减小，黄瓜生长指标均呈增高趋势。其中，T9处理黄瓜株高、茎粗、叶片数、最大叶面积、单株产量分别比T1提高21.59%、25.28%、16.87%、41.04%、37.93%。纯大粒径珍珠岩T1处理株高、叶片数、单株产量均最低，其茎粗和最大叶面积均较小。

2.4 不同珍珠岩粒径配比对黄瓜根系的影响

由表4可以看出，T9处理黄瓜根系的总根长、总表面积、根体积、根尖数和根系活力均最大，T1处理根系各指标均最小。T9处理黄瓜总根长、总表面积、根体积、根尖数和根系活力分别比T1处理显著提高76.38%、76.21%、76.96%、70.36%和87.14%。由黄瓜根系的总根长、总表面积、根体积、根尖数以及根系活力等指标均表现出T9>T8>T1的生长规律，由此可以看出，随着小粒径珍珠岩的增加，黄瓜的根系指标均呈增大趋势。结果表明，小粒径珍珠岩更有利于黄瓜根系的生长发育，大粒径珍珠岩不利于黄瓜根系的生长发育。

2.5 不同珍珠岩粒径配比对黄瓜叶片光合参数的影响

由表5可以看出，T9处理黄瓜叶片Pn、Gs和Tr均最大，Ci值最小，而T1处理黄瓜叶片Pn、Gs和Tr均最小。T9处理叶片Pn和Tr均与T6处理差异不显著，而显著高于其他处理;T5、T6、T9处理叶片Gs均显著高于其他处理，三者之间差异不显著。T9处理叶片Pn、Gs、Tr分别比T1处理显著提高39.48%、95.83%、60.36%。T9处理叶片Ci显著低于T3、T8处理，而与其他处理差异不显著。

2.6 不同珍珠岩粒径配比对黄瓜叶片荧光参数的影响

由表6可知，T1、T8、T9处理各荧光参数随着基质粒径的减小，黄瓜叶片Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP有增大趋势，Fo和NPQ有减小趋势。其中，T9处理叶片Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均最大，Fo和NPQ均最小;而T1处理叶片F0和NPQ均最大，Fv/Fm、ΦPSⅡ均最小。T9处理黄瓜叶片Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP比T1处理分别显著提高2.53%、13.21%和11.27%，T1处理黄瓜叶片Fo和NPQ分别比T9提高31.28%和65.52%。

2.7 不同珍珠岩粒径配比对黄瓜叶片吸收光能分配的影响

由表7可以看出，不同处理光能分配存在一定差异。T9处理黄瓜叶片吸收的光能主要分配于光化学反应P部分，占60%，且显著高于T1、T2、T3和T7处理，T9处理比T1处理显著提高13.21%。在各处理中，天线耗散能的D部分无显著差异。T1、T2和T3处理用于反应中心耗散的E份额显著高于T9处理。由此可以看出，大粒径珍珠岩降低了叶片吸收的光能向P的分配，增加了向E的分配。

3 讨论与结论

研究认为[1，14-15]容重为0.1～0.8 g·cm-3，总孔隙度为60%～90%，持水孔隙为45%～75%，通气孔隙度为20%左右，大小孔隙比为0.25～0.5为理想的基质物理性质范围。本试验中只有纯小粒径T9处理基质物理性质指标全在此范围内，因此纯小粒径T9处理的物理性质最优，这与苏丽影等[16]的研究结果一致。T9处理基质含水量显著低于T1处理，這可能是纯小粒径基质对水的吸持力较小，基质对水的吸持力越小，对植物的有效性越高[17]，因此，T9处理黄瓜更容易吸收更多的水分。

T9处理的黄瓜生长势和根系适应性均最好，产量最高，一个原因可能是浇小粒径的珍珠岩营养液以后基质会紧实，在黄瓜定植初期会有利于植株根系与基质紧密结合，吸收水分与营养物质，缩短缓苗时间，这与李爽等[18]的研究结果一致。另一个原因可能是黄瓜须根系发达，易与小粒径珍珠岩紧密贴合，根系末端有许多白色的突起，小粒径珍珠岩更容易为其提供水分，适宜的水分会使突起长出更多不定根，较高的根系生物量为地上部生长以及元素吸收提供了基础，从而提高了产量。这与陈瑶春[19]的研究结果一致，基质中河沙比重较大时，不易发生颗粒间极松散的无结构现象，使基质与根部的接触较紧密，有利于根系的萌生。

光合作用是作物产量形成的基础[20]。叶片光合速率与自身因素和环境因子密切相关[21]，本试验中T1处理叶片Pn和Gs值最小，Ci值较大，这表明导致T1光合速率降低的主要因素为非气孔限制[22-23]，而T9处理叶片的Pn、Gs和Tr最大，表明T9处理的光合能力最强，这可能是由于T9处理良好的根系适应性，提高了植株水分和养分的吸收能力，从而促进了叶片的光合作用。Fo和PSⅡ反应中心遭受破坏程度有关[24]。本试验中，T1处理叶片Fo比T9处理显著提高，Fv/Fm比T9处理显著降低，这可能是纯大粒径的珍珠岩为黄瓜提供了较差的根区环境，导致黄瓜根系吸收水分和营养受到限制，水分和营养供给不足使叶片发育不良，PSⅡ反应中心遭到破坏。T9处理比T1处理叶片ΦPSⅡ和qP显著增高，T9处理叶片吸收的光能向P的分配占比最大，这可能是因为T9处理的良好根区环境为黄瓜的生长提供了适宜的条件，促进了黄瓜叶片的光合作用，因此PSⅡ中的电子传递速率最高，PSⅡ反应中心开放程度最大，光能中转变为活泼化学能的能量最大，叶片用于光化学反应的部分最多，碳同化效率最高。这与吴甘霖等[25]的研究结果一致。T1处理叶片的NPQ较高，且T1处理叶片吸收的光能向P的分配降低，向E的分配增加，表明用于热耗散部分的比例增加，这可能是植物面对逆境自我保护的表现。这与许培磊等[26]的研究结果一致。

综上所述，在封闭式珍珠岩槽培条件下，珍珠岩粒径小于2 mm处理可为黄瓜提供适宜的根区环境，促进黄瓜生长，提高黃瓜产量，适宜作为该系统黄瓜的栽培基质。由于该试验仅用了2个规格的筛子作为标准，进行过筛处理，珍珠岩粒径小于2 mm标准下是否越小越好，有待进一步探究。

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